所谓结点法,就是取桁架的结点为隔离体,利用结点的静力平衡条件来计算相关杆件的内力或支座反力。因为桁架的各杆只承受轴力作用于任一结点的各力组成一个平面汇交力系,所以可就每一个结点列出两个平衡方程
静定平面桁架的未知力数目和方程数目相等,通过方程联立可以求解出全部杆的内力。
但在实际的计算过程中,联立方程进行求解,计算比较麻烦,所以只有一个结点上不超过两个未知力,才能够不联立方程就能求解出杆的内力,这样计算才方便。
结点法最适用于计算简单桁架。因为简单桁架是由基础或一个基本铰接三角形开始,依次增加二元体所组成的桁架,其最后一个结点只包含两根杆件。分析这类桁架时,可先由整体平衡条件求出它的反力,然后再从最后一个结点开始,依次考虑各结点的平衡,即可使每个结点出现的未知内力不超过两个,可顺利地求山各杆的内力。
下面用例题说明结点法的详细计算步骤。注意在计算过程中通常先假设杆的未知轴力为拉力,轴力的方向沿轴线背离结点。如果计算结果是正值,表示轴力是拉力;如果计算结果是负值,说明轴力的方向指向结点,轴力是压力,压力为负号。
【例5-1】试用结点法计算图5-8(a)所示各桁架中杆的内力。
图5-8
【解】
首先求出支座反力,以整个桁架为隔离体。由
ΣM8=8×(FR1-10)-20×6-10×4=0
得 FR1=30kN
由ΣFy=30-10-20-10+FR8=0
得 FR8=10kN
反力求出后,可选取结点求解各杆的内力。最初选取只包含两个未知力的结点1和8两个节点,现从结点1开始,然后依2,3,4,依次进行计算。
现用结点法计算各杆内力如下:
(1)取结点1为隔离体,如图5-8(b)所示。
(2)取结点2为隔离体,如图5-8(c)所示。
(3)取结点3为隔离体,如图5-8(d)所示。
(4)取结点4为隔离体,如图5-8(e)所示。
由ΣFy=0得
FN34=-22.36kN
由ΣFx=0得
FN45=10kN
(5)取结点5为隔离体,如图5-8(f)所示。
由ΣFy=0得
FN57=0kN
由ΣFx=0得(www.xing528.com)
FN56=20kN
(6)取结点6为隔离体,如图5-8(g)所示。
由ΣFy=0得
FN67=0kN
由ΣFx=0得
FN68=20kN
(7)取结点7为隔离体,如图5-8(h)所示。
由ΣFx=0得
FN78=-22.36kN
至此,桁架中各杆件的内力都已求得。最后,可根据结点8的隔离体是否满足平衡条件来进行校核,如图5-8(i),此时,
故知计算结果无误。
通过例5-1,可以得出,在桁架中一部分杆的轴力为零,轴力为零的杆件称为零杆,如23,67,57三根杆件就是零杆。有些杆的轴力是相等,还有的杆轴力大小相等、方向相反。所以值得指出的是桁架中有些特殊形状的结点,掌握了这些特殊形状的结点,再利用对称性,给计算带来极大的方便。
(1)L形结点:两杆结点上无荷载作用时,则该两杆的轴力都等于零。该结点称为L形结点,如图5-9所示。
(2)T形结点:三杆结点上无荷载作用时,如果其中有两杆在一直线上,则另一杆必为零。此结点称为T形结点,如图5-10所示。
(3)X形结点:四杆结点且两两共线,并且结点上无荷载时,则共线两杆轴力大小相等、方向相同,如图5-11所示。
(4)K形结点:四杆结点,其中两杆共线,而另外两杆在此直线同侧且交角相等,并且结点上无荷载,并非共线两杆轴力大小相等、方向相反(一侧为拉力,则另一侧为压力),如图5-12所示。
(5)对称性:首先是结构对称,结构的杆件以及支座关于一个轴对称,则该结构称为对称结构。其次是荷载对称、荷载的大小、作用点、方向都关于一个轴对称并且结构与荷载同一个对称轴,其内力和反力也基于该对称轴对称,如图5-13所示。
图5-9
图5-10
图5-11
图5-12
图5-13
前述结论都不难由结点平衡条件得到证实。在分析桁架时可先利用上述原则找出特殊结点,然后进行下一步的计算,使计算变得方便。
应用以上结论,不难判断出图5-14和图5-15桁架中虚线所示各杆为零杆,于是剩下的计算便大为简化。
图5-14
图5-15
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